JP5339239B2 - ＳｉＣ基板の作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳｉＣ基板の作製方法に関し、詳しくは、準安定溶媒エピタキシャル法を用いたＳｉＣ基板の作製方法に関する。

近年の電気機器の高効率化に対する厳しいユーザの要求の下、半導体デバイスにおいても一層の耐圧特性を有する半導体材料の開発が進められている。特に、ＳｉＣ（炭化ケイ素）はＳｉ（ケイ素）に比べてバンドギャップが大きいことから、次世代のパワーデバイスへの応用を目指して盛んに開発がなされている。

ＳｉＣ半導体デバイスを作成するための単結晶ＳｉＣを得る代表的な方法として、化学的気相蒸着法（ＣＶＤ）、液相成長法、昇華法（改良レーリー法）等が知られている。その中でも、液相成長法は、比較的高い成長速度で高品位な単結晶ＳｉＣを得ることができる方法として知られている。しかし、この液相成長法は、１０００℃を超える高温で、Ｓｉ系フラックスを用いて行っているため、液（Ｓｉ融液）中の対流制御や温度制御等が必要であり、これらの制御方法が大きな問題となっている。

上記の問題を解決する成長法として、準安定溶媒エピタキシャル法（以下、「ＭＳＥ法」とも言う）（Ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ Ｓｏｌｖｅｎｔ Ｅｐｉｔａｘｙ）が提案されている（例えば、特許文献１）。

このＭＳＥ法によるＳｉＣ成長につき、ＭＳＥ法に用いられる単結晶ＳｉＣ成長装置の主要部を模式的に示す図１により、具体的に説明する。図１に示すように、密閉された坩堝６０の中には、上から順に、成長基板としての単結晶ＳｉＣ基板１０（種結晶）、極薄のＳｉ層２０（Ｓｉ融点までは固体、Ｓｉ融点以上では液体）、Ｓｉ層２０の厚みをコントロールする上部スペーサ４０、原料供給側基板としての炭素原子供給基板３０および下部スペーサ５０が配置されている。

ＭＳＥ法によるＳｉＣ成長は、高真空雰囲気下で行われ、まずはじめに、図示しない加熱手段を用いて坩堝６０内の温度をＳｉ融点（約１４００℃）よりも高い所定の温度（ＳｉＣ成長温度）まで昇温する。この昇温過程において、温度がＳｉ融点を超えるとＳｉ層２０の固体Ｓｉが溶融してＳｉ融液となる。次いで、この温度で、所定の時間保持して、単結晶ＳｉＣ基板１０上に単結晶ＳｉＣを成長させる。その後、温度を下げて、単結晶ＳｉＣが成長した単結晶ＳｉＣ基板１０を取り出す。

このように、単結晶ＳｉＣ基板１０と炭素原子供給基板３０の間に極薄のＳｉ層２０（Ｓｉ融液層）を介在させ、高温で加熱処理を行うことにより、単結晶ＳｉＣ基板１０上に単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させることができる。

このＭＳＥ法は、前記の通り、単結晶ＳｉＣ基板（ＳｉＣ成長基板）と炭素原子供給基板（原料供給側基板）とに挟まれた極薄のＳｉ融液層を形成させるため、Ｓｉ融液中の対流を抑制できるという特徴がある。また、基板に挟まれた極薄のＳｉ融液層を形成するため、Ｓｉ融液の表面張力のみでこのＳｉ融液層を保持することが可能となり、Ｓｉ融液を保持する容器が不要となる。そして、ＳｉＣ成長の駆動力が空間的温度差、時間的温度差によらないため、緻密な温度制御を行うことなく、均熱領域を容易に得ることができる。

このような優れた特徴を有するＭＳＥ法では、高温で加熱処理を行うことにより、結晶の成長速度を速くして厚膜を得ることができるだけでなく、欠陥の伝播を抑制する効果も得ることができるという特徴もあり、品質の高い単結晶ＳｉＣを作製することができる。しかし、単結晶ＳｉＣの成長後にＳｉが残っていると、温度の下降時にＳｉが凝固し、凝固時にＳｉが膨張するため、単結晶ＳｉＣ基板に大きな応力が発生して、新たな欠陥を生じさせる。
従って、ＭＳＥ法では、高温で単結晶ＳｉＣを成長させた後に、残ったＳｉを全て蒸発させることが必要となる。

特開２００５−１２６２４９号公報

しかしながら、上記のＭＳＥ法においては、Ｓｉ蒸発時にＳｉＣ基板表面に凹凸が発生するため、取り出された単結晶ＳｉＣ基板をそのままではデバイスに使用できず、研磨加工を施して平坦にする必要がある。

例えば、図１に示す装置を用いて、図５に示す温度プロファイルでＭＳＥ成長を行って得られた単結晶ＳｉＣ基板を図６に示す。図６に示すように、得られた単結晶ＳｉＣ基板表面には、１０μｍ程度の大きな凹凸ができている。なお、図５における各加熱時間は、１８００℃まで昇温する時間が３時間、１８００℃を保持する時間が４時間、常温まで降温する時間が１０時間であり、１８００℃を保持している間に、ＳｉＣ基板の表面にＳｉＣ結晶を成長させると共に、Ｓｉを全て蒸発させている。また、図６において、１０は前記した単結晶ＳｉＣ基板であり、１１はＭＳＥ成長した単結晶ＳｉＣであり、１８が表面に生じた凹凸である。

得られた単結晶ＳｉＣをデバイスに使用するためには、前記したように、凹凸を研磨して平坦にする必要がある。しかし、表面に大きな凹凸があるため、光学的な、即ち非破壊の膜厚測定が困難となり、研磨代を正確に割り出すことができない。大きな凹凸があれば研磨量も多くなり、単結晶ＳｉＣが薄くなるため、コストが上昇する。そして、場合によっては、研磨により単結晶ＳｉＣの全てが研磨されてしまう恐れもある。

このため、ＭＳＥ法を用いて、ＳｉＣ基板に、充分な膜厚でかつ大きな凹凸を有しない単結晶ＳｉＣを成長させる技術の開発が望まれていた。

本発明は、以上の課題を解決することを目的としてなされたものであり、ＭＳＥ法でＳｉＣ基板に単結晶ＳｉＣを高温で成長させる工程と、残ったＳｉを完全に蒸発させる工程を設けたものである。以下、各請求項の発明を説明する。

請求項１に記載の発明は、
準安定溶媒エピタキシャル法を用いたＳｉＣ基板の作製方法であって、
ＳｉＣ結晶成長温度で、ＳｉＣ基板の表面に所定の厚さのＳｉＣ結晶を成長させる結晶成長工程の後に、
前記ＳｉＣ結晶成長温度とＳｉ融点の中間の温度で、Ｓｉ融液を蒸発させるＳｉ蒸発工程
を有していることを特徴とするＳｉＣ基板の作製方法である。

本発明者は、従来のＭＳＥ法を用いて、前記したＳｉ融液蒸発時におけるＳｉＣ基板表面の凹凸の発生につき実験を行い、発生する凹凸の大きさがＳｉ融液蒸発の温度に比例することを見出した。即ち、１８００℃程度の温度では１０μｍ以上の大きな凹凸が発生し、１６００℃程度の温度では１μｍ程度の凹凸しか発生しないことが分かった。

即ち、従来のＭＳＥ法では、結晶の成長速度を速くして厚膜のＳｉＣ結晶を得るために高温で加熱処理を行い、そのまま続けてＳｉ融液の蒸発を行っているため、表面に大きな凹凸が発生することが分かった。

本請求項の発明においては、この知見に基づき、従来のＭＳＥ法のように結晶成長工程とＳｉ蒸発工程を同じ温度で行うのではなく、高温で行う結晶成長工程とＳｉＣ結晶成長温度よりも低い温度で行うＳｉ蒸発工程とに明確に分けているため、高温で行う結晶成長工程においては充分にＳｉＣ成長を行って所望の厚さのＳｉＣ結晶を速い成長速度で得ることができ、ＳｉＣ結晶成長温度よりも低い温度で行うＳｉ蒸発工程においてはＳｉＣ結晶に大きな凹凸が発生することを抑制しながらＳｉ融液を蒸発させることができる。

その結果、充分な膜厚でありながら、表面に大きな凹凸を有しないＳｉＣ結晶を得ることができる。このようなＳｉＣ結晶は、前記した非破壊の膜厚測定が容易であり、研磨代の制御が十分可能となるため、材料ロスとなる研磨量の低減と研磨作業時間の短縮化を図ることができ、コストの低減が可能となる。

なお、本請求項の発明におけるＳｉＣ結晶成長温度は、ＳｉＣ基板の大きさや所望するＳｉＣ結晶の厚さ等に基づき適宜設定すればよいが、温度が高すぎると、基板としてのＳｉＣや、炭素原子供給源として多結晶ＳｉＣを用いる場合のＳｉＣが昇華する等の弊害が新たに発生するため、１７００〜２２００℃程度が好ましい。

また、Ｓｉ融液を蒸発させる温度は、設定されたＳｉＣ結晶成長温度に応じて適宜設定されるが、１４５０〜１７００℃程度が好ましい。

請求項２に記載の発明は、
前記結晶成長工程における雰囲気圧力が、Ｓｉ融液の飽和蒸気圧よりも高く、
前記Ｓｉ蒸発工程における雰囲気圧力が、Ｓｉ融液の飽和蒸気圧よりも低い
ことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ基板の作製方法である。

前記の通り、従来のＭＳＥ法では全ての工程を高真空雰囲気下で行っているため、ＳｉＣの結晶成長と並行してＳｉ融液の蒸発が行われる。そのため、所望する厚さまでＳｉＣの結晶成長が行われる前に、Ｓｉ融液が完全に蒸発してしまう恐れがある。このような場合には、高温でＳｉ融液の蒸発が完了することとなり、前記の通り、ＳｉＣ結晶表面に大きな凹凸が発生する。さらに、ＳｉＣ成長が停止するため、所望の厚さのＳｉＣ結晶を得ることもできない。

本請求項の発明においては、結晶成長工程における雰囲気圧力をＳｉ融液の飽和蒸気圧よりも高くしてＳｉ融液の蒸発を抑制しているため、高温で行われる結晶成長工程においてＳｉ融液が完全に蒸発し、ＳｉＣ結晶表面に大きな凹凸が発生するということが抑制される。また、所望する厚さまで確実にＳｉＣ成長を行うことができる。そして、ＳｉＣ結晶成長温度よりも低い温度で行うＳｉ蒸発工程において、雰囲気圧力をＳｉ融液の飽和蒸気圧よりも低くすることにより、Ｓｉ融液を速やかに完全に蒸発させることができる。

なお、結晶成長工程における雰囲気圧力をＳｉ融液の飽和蒸気圧よりも高くする方法としては、Ａｒガス等の不活性ガス（但し、窒素はＳｉＣに取り込まれてしまうため好ましくない）や水素ガス、あるいはこれらの混合ガスを導入する方法等が好ましく採用される。

また、結晶成長工程における雰囲気圧力としては、前記した好ましい結晶成長温度を考慮すると、一般に、１００Ｐａ以上が好ましく、Ｓｉ蒸発工程における雰囲気圧力としては、３００Ｐａ以下が好ましい。

請求項３に記載の発明は、
前記結晶成長工程に先立って、
真空雰囲気下で、ＳｉＣ結晶成長温度とＳｉ融点の中間の温度まで昇温してＳｉ融液を形成させるＳｉ融液形成工程と、
前記Ｓｉ融液形成工程における温度を所定時間保持するＳｉ融液形成温度保持工程と
を有しており、
前記Ｓｉ融液形成温度保持工程において、前記結晶成長工程において用いられる雰囲気圧力まで不活性ガス（窒素を除く）、水素ガス、あるいはこれらの混合ガスを導入する
ことを特徴とする請求項２に記載のＳｉＣ基板の作製方法である。

請求項２における結晶成長工程における雰囲気圧力をＳｉ融液の飽和蒸気圧よりも高くする方法として、不活性ガス（窒素を除く）や水素ガスあるいはこれらの混合ガスを導入することが好ましい。

しかし、Ｓｉ融液が形成される前に不活性ガスや水素ガスを導入した場合、Ｓｉ融液の形成時、Ｓｉ融液中に不活性ガスや水素ガスの気泡が含まれてしまう。即ち、Ｓｉ融液層が、均一なＳｉ融液層とならず、気泡が含有されたＳｉ融液層となる。気泡が含有されたＳｉ融液層により結晶成長を行った場合、均一なＳｉＣ結晶を得ることができない。

このため、初期の昇温過程は真空雰囲気下で行うことが好ましい。また、ＳｉＣ結晶成長温度とＳｉ融点の中間の温度まで昇温させ、この温度を保持しながら結晶成長工程において用いられる雰囲気圧力まで不活性ガス（窒素を除く）、水素ガス、あるいはこれらの混合ガスを導入し、その後ＳｉＣ結晶成長温度まで昇温することにより、安定した結晶成長を行うことができる。

請求項４に記載の発明は、
投入されるＳｉ量が、所定の厚さのＳｉＣ結晶を得るに必要なＳｉ量に加えて、
前記結晶成長工程におけるＳｉ融液の蒸発量を超える量を追加した量であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のＳｉＣ基板の作製方法である。

本請求項の発明においては、所定の厚さのＳｉＣ結晶を得るに必要なＳｉ量に加えて、結晶成長工程において予測されるＳｉ融液の蒸発量を超えるＳｉ量を仕込んでいるため、全ての工程を高真空雰囲気下で行っても、結晶成長工程においてＳｉ融液が完全に蒸発してしまうことがない。このため、高温でのＳｉ融液の完全な蒸発を避けることができ、ＳｉＣ結晶表面に大きな凹凸が生じることがない。

本発明によれば、ＭＳＥ法を用いて、ＳｉＣ基板に、表面に大きな凹凸を有しない充分な膜厚の単結晶ＳｉＣを成長させることができる。また、ＳｉＣ表面の研磨量の低減と研磨作業時間の短縮化を図ることができ、コストの低減が可能となる。

ＭＳＥ法に用いられる単結晶ＳｉＣ成長装置の主要部を模式的に示す図である。 本発明の第１の実施の形態における温度プロファイルを示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態で作製された単結晶ＳｉＣの表面の凹凸を概念的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態における温度プロファイルを示すグラフである。 従来のＭＳＥ法における温度プロファイルを示すグラフである。 従来のＭＳＥ法で作製された単結晶ＳｉＣの表面の凹凸を概念的に示す図である。 Ｓｉの飽和蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

（第１の実施の形態）
本実施の形態は、高温真空雰囲気下で充分にＳｉＣ成長をさせた後、ＳｉＣ結晶成長温度よりも低い温度で残ったＳｉ融液の蒸発を行って、単結晶ＳｉＣが成長した単結晶ＳｉＣ基板を得るものである。

１．単結晶ＳｉＣの作製
以下の工程により単結晶ＳｉＣを作製した。

（１）ＳｉＣ成長装置の構成
まず、図１に示すように、密閉された坩堝６０の中に、上から順に、単結晶ＳｉＣ基板１０、Ｓｉ層２０、上部スペーサ４０、炭素原子供給基板３０および下部スペーサ５０を配置する。これは従来のＭＳＥ法と同様である。但し、Ｓｉ層２０には、所定の厚さのＳｉＣ結晶を得るに必要なＳｉ量を充分に上回る量の固体Ｓｉを配置しておく。

（２）各工程における坩堝の温度と炉内の雰囲気
次に、図示しない加熱手段を用いて坩堝６０内を加熱する。図２に本実施の形態における温度プロファイルを示す。

イ．初期昇温工程
まず、３００Ｐａの真空雰囲気下で、３０℃／ｍｉｎの昇温速度で室温から１８００℃まで昇温させる。この昇温により、Ｓｉ融点（約１４００℃）を超えた時点で固体Ｓｉは溶融して気泡を含まないＳｉ融液層が形成される。

ロ．結晶成長工程
次に、真空雰囲気下で、前記の１８００℃の温度を６時間保持する。このとき、単結晶ＳｉＣ基板１０上で単結晶ＳｉＣがエピタキシャル成長する。

ハ．Ｓｉ融液蒸発工程
その後、５℃／ｍｉｎの降温速度で１８００℃から１６００℃まで降温させ、さらに１６００℃の温度を９時間保持する。このとき、残っていたＳｉ融液が全て蒸発する。

ニ．降温および取り出し工程
次に、１℃／ｍｉｎの降温速度で１６００℃から室温まで降温させて、単結晶ＳｉＣが成長した単結晶ＳｉＣ基板１０を取り出す。

２．作製した単結晶ＳｉＣの表面の凹凸
得られた単結晶ＳｉＣ基板における単結晶ＳｉＣの表面状態を図３に示す。図３において、１０は単結晶ＳｉＣ基板であり、１１はＭＳＥ成長した単結晶ＳｉＣであり、１８が表面に生じた凹凸である。図３に示すように、本実施の形態において、単結晶ＳｉＣの表面の凹凸は１μｍ程度であり、表面が極めて平坦であることが確認できた。

これは、予め充分な固体Ｓｉが配置され、結晶成長工程の完了時でもＳｉ融液が残っており、Ｓｉ融液の完全な蒸発が、結晶成長温度よりも低温のＳｉ蒸発工程において行われたために、単結晶ＳｉＣの表面に大きな凹凸が発生することが抑制されたことによる。

（第２の実施の形態）
本実施の形態は、結晶成長工程における雰囲気圧力をＳｉ融液の飽和蒸気圧よりも高くし、Ｓｉ蒸発工程における雰囲気圧力をＳｉ融液の飽和蒸気圧よりも低くして単結晶ＳｉＣが成長した単結晶ＳｉＣ基板を得るものである。

以下、本実施の形態における各工程のうち、前記第１の実施の形態と相違する工程のみを説明する。なお、図４に本実施の形態における温度プロファイルを示す。

（１）各工程における雰囲気および温度
イ．初期昇温工程
まず、３００Ｐａの真空雰囲気において３０℃／ｍｉｎの速度で室温から１５００℃まで昇温させ、固体Ｓｉを完全に融解させてＳｉ融液層を形成する。

ロ．Ａｒガス導入工程
次に、前記の１５００℃の温度を１時間保持し、この間にＡｒガスを導入して雰囲気圧力を、１８００℃におけるＳｉ融液の飽和蒸気圧（約６００Ｐａ）よりも充分に高い７４０ｈＰａとする。なお、図７にＳｉの飽和蒸気圧と温度との関係をグラフで示す。

このように、真空雰囲気で昇温させてＳｉ融液層を形成してからＡｒガスを導入することにより、Ｓｉ融液層に気泡が含まれることが抑制できる。また、結晶成長工程に先立って、結晶成長工程において用いられる雰囲気圧力までＡｒガスを導入しているため、安定した結晶成長を行うことができる。

ハ．結晶成長工程
次に、雰囲気圧力を７４０ｈＰａに保った状態で、３０℃／ｍｉｎの速度で１５００℃から１８００℃まで昇温し、その後１８００℃で６時間保持して、単結晶ＳｉＣ基板上に単結晶ＳｉＣをエピタキシャル成長させる。このとき、雰囲気圧力がＳｉ融液の飽和蒸気圧より高いため、Ｓｉ融液の蒸発が抑制され、充分に結晶成長させることができる。

ニ．Ｓｉ融液蒸発工程
その後、５℃／ｍｉｎの降温速度で１８００℃から１６００℃まで降温し、Ｓｉ融液を蒸発させるために、Ａｒガスを排気し真空雰囲気にする。そして１６００℃の温度を９時間保持し、残っていたＳｉ融液を全て蒸発させる。

（２）作製した単結晶ＳｉＣの表面の凹凸
得られた単結晶ＳｉＣ基板における単結晶ＳｉＣの表面の凹凸は、第１の実施の形態の場合と同様に小さいことが確認できた。

これは、結晶成長工程において雰囲気圧力をＳｉ融液の飽和蒸気圧より高くすることにより結晶成長工程におけるＳｉ融液の蒸発が抑制され、Ｓｉ融液の完全な蒸発が、結晶成長温度よりも低温のＳｉ蒸発工程において行われたために、単結晶ＳｉＣの表面に大きな凹凸が発生することが抑制されたことによる。

１０ 単結晶ＳｉＣ基板
１１ 単結晶ＳｉＣ
１８ 単結晶ＳｉＣの表面
２０ Ｓｉ層
３０ 炭素原子供給基板
４０ 上部スペーサ
５０ 下部スペーサ
６０ 坩堝

Claims (4)

1. 準安定溶媒エピタキシャル法を用いたＳｉＣ基板の作製方法であって、
   ＳｉＣ結晶成長温度で、ＳｉＣ基板の表面に所定の厚さのＳｉＣ結晶を成長させる結晶成長工程の後に、
   前記ＳｉＣ結晶成長温度とＳｉ融点の中間の温度で、Ｓｉ融液を蒸発させるＳｉ蒸発工程
   を有していることを特徴とするＳｉＣ基板の作製方法。
2. 前記結晶成長工程における雰囲気圧力が、Ｓｉ融液の飽和蒸気圧よりも高く、
   前記Ｓｉ蒸発工程における雰囲気圧力が、Ｓｉ融液の飽和蒸気圧よりも低い
   ことを特徴とする請求項１に記載のＳｉＣ基板の作製方法。
3. 前記結晶成長工程に先立って、
   真空雰囲気下で、ＳｉＣ結晶成長温度とＳｉ融点の中間の温度まで昇温してＳｉ融液を形成させるＳｉ融液形成工程と、
   前記Ｓｉ融液形成工程における温度を所定時間保持するＳｉ融液形成温度保持工程と
   を有しており、
   前記Ｓｉ融液形成温度保持工程において、前記結晶成長工程において用いられる雰囲気圧力まで不活性ガス（窒素を除く）、水素ガス、あるいはこれらの混合ガスを導入する
   ことを特徴とする請求項２に記載のＳｉＣ基板の作製方法。
4. 投入されるＳｉ量が、所定の厚さのＳｉＣ結晶を得るに必要なＳｉ量に加えて、
   前記結晶成長工程におけるＳｉ融液の蒸発量を超える量を追加した量であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のＳｉＣ基板の作製方法。

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